Aangezien hernieuwbare bronnen zoals wind en zon het energielandschap snel veranderen, wetenschappers zoeken naar manieren om energie beter op te slaan voor wanneer het nodig is. Brandstofcellen, die chemische energie omzetten in elektrische energie, zijn een mogelijke oplossing voor langdurige energieopslag, en ooit zou kunnen worden gebruikt om vrachtwagens en auto's aan te drijven zonder brandstof te verbranden. Maar voordat brandstofcellen op grote schaal kunnen worden gebruikt, scheikundigen en ingenieurs moeten manieren vinden om deze technologie kosteneffectiever en stabieler te maken.

Een nieuwe studie van het laboratorium van Penn Integrates Knowledge Professor Christopher Murray, onder leiding van afgestudeerde studente Jennifer Lee, laat zien hoe op maat ontworpen nanomaterialen kunnen worden gebruikt om deze uitdagingen aan te gaan. In ACS Toegepaste Materialen &Interfaces , onderzoekers laten zien hoe een brandstofcel kan worden gebouwd van goedkopere, meer algemeen beschikbare metalen met behulp van een ontwerp op atomair niveau dat het materiaal ook op lange termijn stabiliteit geeft. Voormalig postdoc Davit Jishkariani en oud-studenten Yingrui Zhao en Stan Najmr, huidige student Daniel Rosen, en professoren James Kikkawa en Eric Stach, ook aan dit werk meegewerkt.

De chemische reactie die een brandstofcel aandrijft, is afhankelijk van twee elektroden, een negatieve anode en een positieve kathode, gescheiden door een elektrolyt, een stof die de ionen laat bewegen. Als er brandstof in de anode komt, een katalysator scheidt moleculen in protonen en elektronen, waarbij de laatste naar de kathode reist en een elektrische stroom creëert.

Katalysatoren zijn meestal gemaakt van edele metalen, zoals platina, maar omdat de chemische reacties alleen plaatsvinden op het oppervlak van het materiaal, alle atomen die niet op het oppervlak van het materiaal aanwezig zijn, worden verspild. Het is ook belangrijk dat katalysatoren maanden en jaren stabiel zijn, omdat brandstofcellen erg moeilijk te vervangen zijn.

Chemici kunnen deze twee problemen aanpakken door aangepaste nanomaterialen te ontwerpen die platina aan het oppervlak hebben, terwijl ze gewonere metalen gebruiken. zoals kobalt, in de bulk om stabiliteit te bieden. De Murray-groep blinkt uit in het maken van goed gecontroleerde nanomaterialen, bekend als nanokristallen, waarin ze de grootte kunnen regelen, vorm, en samenstelling van elk samengesteld nanomateriaal.

In dit onderzoek, Lee concentreerde zich op de katalysator in de kathode van een specifiek type brandstofcel, bekend als een brandstofcel met een protonenuitwisselingsmembraan. "De kathode is meer een probleem, omdat de materialen ofwel op platina ofwel op platina zijn gebaseerd, die duur zijn en tragere reactiesnelheden hebben, " zegt ze. "Het ontwerpen van de katalysator voor de kathode is de belangrijkste focus van het ontwerpen van een goede brandstofcel."

De uitdaging, legt Jishkariani uit, was in het creëren van een kathode waarin platina- en kobaltatomen zich zouden vormen tot een stabiele structuur. "We weten dat kobalt en platina goed samengaan, maar als je legeringen van deze twee maakt, je hebt in willekeurige volgorde atomen platina en kobalt toegevoegd, "zegt hij. Door meer kobalt toe te voegen in een willekeurige volgorde, komt het uit in de elektrode, wat betekent dat de brandstofcel slechts voor een korte tijd zal functioneren.

Om dit probleem op te lossen, onderzoekers ontwierpen een katalysator gemaakt van gelaagd platina en kobalt, bekend als een intermetallische fase. Door precies te bepalen waar elk atoom in de katalysator zat en de structuur op zijn plaats te vergrendelen, de kathodekatalysator kon langer werken dan wanneer de atomen willekeurig waren gerangschikt. Als een extra onverwachte bevinding, de onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van meer kobalt aan het systeem tot meer efficiëntie leidde, met een 1-op-1 verhouding van platina tot kobalt, beter dan veel andere structuren met een breed scala aan platina-tot-kobalt-verhoudingen.

De volgende stap is het testen en evalueren van het intermetallische materiaal in brandstofcelassemblages om directe vergelijkingen te maken met commercieel beschikbare systemen. De Murray-groep zal ook werken aan nieuwe manieren om de intermetallische structuur te creëren zonder hoge temperaturen en kijken of het toevoegen van extra atomen de prestaties van de katalysator verbetert.

Dit werk vereiste microscopische beeldvorming met hoge resolutie, werk dat Lee eerder deed bij Brookhaven National Lab, maar, dankzij recente aanwinsten, kan nu worden gedaan bij Penn in het Singh Center for Nanotechnology. "Veel van de high-end experimenten die we door het hele land hadden moeten reizen, soms over de hele wereld, we kunnen nu veel dichter bij huis, ", zegt Murray. "De vooruitgang die we hebben geboekt in elektronenmicroscopie en röntgenverstrooiing is een fantastische toevoeging voor mensen die werken aan energieconversie en katalytische studies."

Lee heeft ook uit de eerste hand ervaren hoe scheikundig onderzoek rechtstreeks verband houdt met uitdagingen in de echte wereld. Ze presenteerde dit werk onlangs op de conferentie van het International Precious Metals Institute en zegt dat het verhelderend was om leden van de edelmetalengemeenschap te ontmoeten. "Er zijn bedrijven die kijken naar brandstofceltechnologie en praten over het nieuwste ontwerp van de brandstofcelauto's, " zegt ze. "Je komt in contact met mensen die vanuit verschillende perspectieven over je project denken."

Murray ziet dit fundamentele onderzoek als een startpunt voor commerciële implementatie en toepassing in de echte wereld, benadrukkend dat toekomstige vooruitgang afhankelijk is van het toekomstgerichte onderzoek dat nu plaatsvindt. "Als we denken aan een wereld waarin we veel van de traditionele op fossiele brandstoffen gebaseerde inputs hebben verdrongen, als we deze onderlinge omzetting van elektrische en chemische energie kunnen achterhalen, dat zal tegelijkertijd een aantal zeer belangrijke problemen aanpakken."